A radar sensor with six-port network is proposed. The radar sensor is called ‘six-port radar sensor’. The MMIC type six-port network is designed using InGaP HBT process for minimization to generate DC offset voltages. Calibration method and process are proposed to obtain high accuracy in the radar sensor. The proposed method uses the calibration equations, which are derived from considering amplitude and phase errors resulting from both imperfections in the six-port network and different diode characteristics. Distance measurement shows that the six-port radar sensor can have high range accuracy in short range detection. The maximum detection error in the distance measurement is approximately 2 % from 0.5 m to 3 m. Tx leakage signal limits the maximum detectable range in the six-port radar sensor. A quasi circulator for obtaining high Tx leakage signal isolation is proposed to increase the maximum detectable range. The proposed circulator improves the receiving sensitivity of the radar sensor by 13 dB, and the maximum detectable range is increased from 1.5 m to 2.5 m with -10 dBm output power through a horn antenna. By using a MPA, measured distance can be increased. Measurement result shows that the sensor can detect to 3.75 m, which is the maximum range in the current measurement environment. The six-port radar sensor is proposed for simultaneous measurement of distance and relative dielectric permittivity. The dielectric permittivity profile is obtained by measuring complex reflection coefficients, which are simply calculated with DC output voltages from the six-port network. Amplitude errors of reflection coefficients are calibrated by the distance measurement. The dielectric permittivity profile and the distance information of a target are obtained with a 24 GHz six-port radar sensor. The size of the radar sensor is $3.6 \times 5.5 cm^2$, excluding a horn antenna and signal generator.
The six-port radar sensor, which constitutes simple RF front-end using six-port network, makes high range accuracy with narrow bandwidth. And the sensor has fast data acquisition and short update time. The dielectric permittivity profile of remote targets is easily obtained by using only the sensor. This sensor is expected to be used in many applications, especially industrial non-destructive detection.
6포트 네트워크를 이용한 근거리 레이더 센서는 RF front-end를 간단히 구성할 수 있으며, 좁은 대역폭을 사용하면서도 높은 거리 정확도를 얻을 수 있는 방법이다.
레이더 센서 구현을 위해, InGaP HBT 공정을 이용한 MMIC형 6포트 네트워크를 설계하여, 6포트 네트워크 자체에서 발생하는 DC offset를 줄이고 회로의 인지 감도를 향상시켰다. 6포트 네트워크를 이용한 레이더 센서에 적합한 오차 보정 방법 및 과정은 6포트 네트워크에서 발생할 수 있는 위상 오차와 레이더 센서 전체에서의 크기 오차를 반영하여 센서의 정확도를 향상 시킬 수 있는 방법이다. 이와 같은 오차 보정 방법 및 과정을 적용하여 6포트 네트워크를 이용한 레이더 센서는 0.5 m에서 3 m까지 거리를 최대 2 % 오차를 가지고 정확하게 측정할 수 있었다. 송신 누설 신호를 줄일 수 있는 Quasi-circulator를 제안하였다. 제안한 Quasi-circulator를 사용하여 레이더 센서의 최대 측정 가능한 거리를 늘릴 수 있음을 Effective isolation 측정과 거리 측정을 통해 확인하였다. Quasi-circulator로 인한 13 dB의 수신 감도 증가로 인해, - 10 dBm의 송신 전력을 사용하여 최대 측정 가능한 거리를 1.5 m에서 2.5 m로 증가시킬 수 있었다. 구현된 6포트 네트워크를 이용한 레이더 센서를 이용하여 거리와 유전율 차이를 동시에 인식할 수 있는 레이더 센서를 제안하였다. 추가적인 구성없이 레이더 센서만으로 복소 반사 계수와 물체까지의 거리 인식을 동시에 할 수 있어, 원격으로 물질의 유전율 차이를 효과적으로 인식할 수 있음을 유전율 프로파일 측정 결과로 확인하였다.
이와 같은 레이더 센서는 근거리 이미지 레이더 센서로 활용이 가능할 것이며, 특히 물질의 특성차이를 원격으로 인식하는 데 장점을 가지고 있어, 비파괴 검사 장비 분야에서 유용하게 활용될 수 있는 기술이다.
